JPS63184049A

JPS63184049A - ガスセンサの製造方法

Info

Publication number: JPS63184049A
Application number: JP62016844A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Koda; 弘史香田; Muneharu Shimabukuro; 宗春島袋; Yasunori Ono; 靖典小野
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 1987-01-27
Filing date: 1987-01-27
Publication date: 1988-07-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の利用分野〕この発明はガスセンサの製造方法に関し、特に金属発熱
体表面に耐熱絶縁性被覆を施し、ガス感応を４料の支持
体としたガスセンサの製造方法に関−する。このような
製造方法で得られるガスセンサは、雰囲気中のガス成分
の検出に用い、特に空気中の酸素やＮＯｘ等のガス、−
酸化炭素等の毒性ガス、メタンやイソブタン等の可燃性
ガス、あるいは水蒸気等の検出に用いる。

［従来技術］出願人は、ヒータ兼用の金属発熱体表面に耐熱絶縁性被
覆を施し、この被覆上にガス感応材料を支持させたガス
センサを検討した（特願昭６１−２５６．０８２号）。

このセンサの特徴は、アルミナ等の絶縁基板なしで、膜
形のセンサが得られる点に有る。そしてこのセンサは熱
容量が小さく、消費電力、熱時定数ら小さい。またこの
センサは小形、軽量である。金属の加工精度はアルミナ
等のセラミック材料に比へ高く、金属発熱体の外形は極
く小さくできる。このことらセンサの小形化を容易にす
る。

しかし用いる金属発熱体は通常細い線状、あるいは薄い
膜状で、その取り扱いは不便である。このことは金属発
熱体の外部リードへの接続作業を困難にする。即ち、接
続位置への発熱体の移送、溶接等の接続作業が複雑化す
る。

［発明の課題］この発明の課題は、金属発熱体の外部リードへの結合を
容易にすることに有る。

［発明の構成］この発明では、金属発熱体をフレームに結合し、このフ
レームを用いて外部リードへの結合を行う。

即ちフレームを外部リードに位置合わせした状態で金属
発熱体を外部リードに結合し、次いで金属兇熱体をフレ
ームから分離する。このようにすれば金属発熱体に伴う
取り扱いの困難性は解消ずろ。

このような製造方法の内、最し好ましい乙のを例示する
。先ず金属発熱体材料の薄板を用きし、これに耐熱絶縁
性被覆を施す。電極が必要な場合、被覆上に印刷や真空
蒸着等により電極を設ける。

また被覆土に膜状、あるいは層状のガス感応材料を支持
させろ。なお電極とガス感応材料との形成順序は適宜に
変更できる。これらの後、金属発熱体材料の薄板をエツ
チングし、金属発熱体の両端を結合したリードフレーム
とする。これとは別に、複数の外部リードを一連に結合
したリードフレームを用きし、これに金属発熱体のリー
ドフレームを徂ね合わ仕、金属発熱体を外部リードに結
合する。この後、金属発熱体のリードフレームや外部リ
ートのり一ドフレームから不要部をカットすれば、夕（
部リードへの金属発熱体の結合か完了する。

ここで例示した製法は、基本的に２つのり−トフレーム
の重ね合わせを利用している。これは単純で通産性に富
んだ製法である。次ぎに金属発熱体のリードフレームへ
の加工は、絶縁性被覆やガス感応材料を設けた後に行っ
ている。これは印刷や蒸は等の処理には、加工済みのリ
ードフレームよりも、単純な薄板の方が好ましいことに
よる。

また加工済のリードフレームでは、ガス感応材料等がリ
ードフレームの裏面に回り込む恐れが有る。

しかじ薄板のまま処理を飄し、後にエツチング等てリー
ドフレームとすれば、このような問題は生しない。

ここで示したものは好ましい製法の例示であり、周知技
術の範囲で、特にＩＣ等の製造に用いろ微細加工技術や
ボンディング技術を加味して、自由に変形できろ。

またここで例示した製法は、発明の要旨を変更しない範
囲で適宜に変更できる。例えば、金属発熱体を線状とし
、これとは別の材料で金属発熱体を結合してフレームと
しても良い。また金属発熱体をテープ状とし、このテー
プに他の材料を結合してフレームとしても良い。外部リ
ードは、複数のものを一連に結合して、リードフレーム
状として処理ずろのか好ましい。しかし例えば外部リー
ドを先端に平坦面を設けｆこピン状とし、このピンをベ
ースに結合してピン相互の位置を固定し、金属発熱体を
結合してら良い。また極端な場合、金属発熱体への絶縁
性被覆やガス感応材料の形成は、外部リードに金属発熱
体を結合した後行ってら良い。薄板からのリードフレー
ムへの加工は、絶縁性被覆やガス感応材料を設ける而に
行っても良い。

その場合、金属発熱体の裏面を適当なマスクで覆い、ガ
ス感応材料の回り込みを防止するのが良い。

［実施例］第１図〜第３図に、最初の実施例の製造工程を示す。４
２合金（鉄５６重量％、ニッケル４２重量％、他Ｃ０ｌ
Ｍｎ、Ｓｉ等）やニッケル等のリードフレームを用意す
る（第１図）。図において、（２）はリードフレームで
、４本の外部リード（４）を一体に結合してあり、（６
）は外部リードの種別表示用のマークである。また（８
）はリードフレームの位置合わせ用の透孔である。（１
０）はリードフレーム（２）に一体成型した合成樹脂等
のベースで、後に図示しない上部カバーと結合して、セ
ンサのハウジングとする。ベース（１０）には、金属発
熱体を収容するスペース（１２）を設けておく。なおベ
ース（１０）は金属発熱体の結合後に取り付けても良い
。

これとは別に金属発熱体のリードフレームを設ける（第
２図）。図において、（２０）はリードフレーム、（２
２）は外部リード（４）に結合すべき金属発熱体本体で
、伎（２４）、（２６）等により一体に結合しである。

また（２８）はリードフレーム（２）との位置合わけ用
の透孔である。なお第１図、第２図とらリードフレーム
はセンサ１個分ずつ設けても良く、あるいは１０個分ら
しくはそれ以上の単位で設けても良い。

このリードフレーム（２０）は次のように製造する（第
３図）。金属発熱体材料の薄板（３０）を用０し、位置
合わせ用のマーク（２８）を設ける。発熱体の飼料には
、ｐｔやＩｒ、Ｐｔ−ＺＧＳ（Ｐｔの拮晶拉界にＺ’ｒ
Ｏ２粒子をｖ？出させたもの）、Ｐ　ｄ　−［ｒ合金（
Ｐｄ８０重量％、Ｉｒ２０重量％）等の貴金属、あるい
はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎ＋　　Ｃｒ合金、Ｗ等の卑
金属を用いろ。

薄板（３０）の表面に適当なマスクを施し、耐熱絶縁性
被覆（３２）を設ける（第３図（ａ））。被覆（３２）
の材質としては、アルミナ、シリカ等の金属酸化物、Ｓ
ｉＣ，Ｓｉ３Ｎ、ＢＮ、ＴｉＣ等のセラミック等を用い
る。この内好ましいしのはアルミナ、ソリ力等の金属酸
化物である。被覆（３２）は電極やガス感応材料を薄板
（３０）から絶縁する。

耐熱絶縁性被覆（３２）は、例えばプラズマＣＶＤ、ス
パッタリング、イオンブレーティングにより設ける。プ
ラズマＣＶＤの場合例えば、アルミニウムのアルコキシ
ド等の有機化合物をＡｒ等のプラズマに注入し、プラズ
マを薄板（３０）に吹き付は皮膜とする。またスパッタ
リングの場合、低圧酸素中でのアルミニウムの反応性ス
パッタリングにより、耐熱絶縁性被覆（３２）とする。

これらのもの以外に、金属アルミニウムの蒸着膜の酸化
や、アルミナゾルの印刷と焼成、あるいはアルミニウム
のイソプロポキシド等の有機化合物の熱分解も用い得る
。しかし被覆（３２）の付着強度や絶縁強度は、プラズ
マＣＶＤ、スパッタリング、イオンブレーティングがほ
ぼ同等で、蒸着がこれに次ぎ、ゾルの焼成や有機化合物
の熱分解では低い。

従ってプラズマＣＶＤ等を用いろことが好ましい。

被覆（３２）の厚さは、充分な付着強度と絶縁性が得ら
れる範囲で任きの乙のを用い得る。好ましい厚さは５０
Ａ−１０μ、より好ましくは１００Ａ〜５μであり、プ
ラズマＣＶＤの場合５０Ａのアルミナ膜でＩＭΩ以上の
絶縁抵抗が得られた。

被覆（３２）に、一対の金や白金等の電極（３４，）。

（３６）を印刷や蒸着等で積層する。さらに電罷上にＳ
ｎＯ□やＩｎ、０３等のガスにより抵抗値か変化ずろ金
属酸化物半導体の膜（３８）を設（」ろ（第３図（ｂ）
）。電極（３４）、（３６）と金属酸化物半導体（３８
）との積層の順序は、適宜に変更し得ろ。

ここではガス感応材料の例として金属酸化物半導体を用
いたが、ＭｇＣｒ２Ｏ４やＴ　ｉ　Ｏ２等の水蒸気の吸
若により抵抗値が変化する材料、アンチモン酸ａ、ｔ　
、　ｓ　ｂ２ｏ　ｓ）やリン酸アンチモン（Ｉ（Ｓ　ｂ
Ｉ）　２０　、ｌ）等の水素等により起電力を生じるプ
ロトン導電体、Ｚｒ０ｔ等の酸素により起電力か生じろ
固体電解質、あるいはＰｔ触媒やＰｄ触媒等のガスの接
触酸化触媒等の、任意のガス感応材料か用いえる。例え
ばプロトン導電体の場合は、電極の一方を銀や金等の不
活性な電極とし、他方を白金等の活性な電極とすると、
電極間に水素等による起電力が生じる。

ＰｔやＰｄ等の接触酸化触媒の場合、薄板（３０）の材
料を白金等の測温抵抗体とし、可燃性ガスの接触酸化に
よる温度変化を測温抵抗体の抵抗変化から検出すれば良
い。なおＭｇＣｒ、０４等の湿度センサ材料やプロトン
導電体は室温でも用い得、本来ヒータは不必要であるが
、雰囲気中の浦等の汚染物質の付着により特性が変化す
る。そこでヒートクリーニングにより汚染物質を除去す
るため、ヒータが必要である。

これらの後に、レジストを所定のパターンに印Ｊｆｌｉ
ｌ　Ｌ、例えば薄板（３０）の裏面からエツチングを行
い、リードフレーム（２０）を完成する（第３図（Ｃ）
）。

第２図の要部を第４図に示す。図において、（２２）は
金属発熱体本体、（３２）はアルミナ等の、坩熱絶縁性
彼覆、（３４）、（３６）は一対の膜状電極、（３８）
はＳｎＯ，等のガス感応材料膜である。

なお発熱体本体（２２）によるガス感応材料（３８）の
被毒が生じない場合、発熱体（２２）を電極に兼用して
も良い。例えば白金やイリジウム等の貴金属はガス感応
材料（３８）を被毒しない。このような措造を第６図に
示す。

第１図、第２図に戻って、２つのリードフレーム（２）
、（２０）を位置合わせし、発熱体本体（２２）を外部
リード（４）に溶接する。２つのリードフレームの位置
合わせは、マーク（８）、（２８）を用いれば、あるい
はＩＣ等の製造に用いられるパターン認識装置を用いれ
ば容易に行える。次に電極（３４）、（３６）と残る２
本の外部リードとを、金等のリード線でワイヤボンディ
ングする。この後、リードフレーム（２）やリードフレ
ーム（２０）の不要部を切断し、外部リートを折り曲げ
、図示しない上部カバーをベース（ｌＯ）に固着すれば
センサか完成ずろ。

この状聾を第６図、第７図に示す。図において、（４０
）、（・１２）はリード線、（４４）は発熱体（２２）
の外部リード（４）への溶接部である。なお外部リード
（４）の先端は、リード線（４２）の溶接部の下部まで
伸びており、溶接時の荷重を支えるようにしである。ま
たガス感応材料（３８）の両側で発熱体（２２）を幅広
としたのは、外部リード（４）やリード線（４０）、（
４２）の溶接を容易とし、感応材料（３８）の外部の領
域での無駄な発熱を抑制するためである。

実施例での製法を検討する。プラズマＣＶＤ等による被
覆（３２）の形成は、この種のガスセンサに必須のらの
である。印刷や蒸着等による電極（３４）、（３６）や
ガス感応材料（３８）の形成、エツチング、２つのリー
ドフレームの位置合イっせと溶接、リード線のボンディ
ング等は、ガスセンサの製法としても周知、あるいはＩ
Ｃ等の製法を転用できろもので、単純で量産性に富んで
いる。

これらのセンサのガス感応特性は、通常のガスセンサの
場合と同等である。相違点は、金属発熱体本体（２２）
が小形で消費電力や熱容量、熱時定数が小さい点に現れ
ろ。例えば、発熱体（２２）として２０μ厚のＦｅ−Ｃ
ｒ−Ａｌ合金を用い、その長さくガス感応材料（３８）
付近のブリッジ部の長さンを３００μ、幅を５０　Ｉｔ
とする。ガス感応材料（３８）をｌθμ厚のＳｎ０ｗ膜
、被覆（３４）を１μ厚のアルミナ膜とし、電極（３４
）、（３６）を０５μ厚の金電極とする。発熱体（２２
）の抵抗値は約０５Ωで、室温から４００℃への加熱時
の消費電力は約３０ｍＷａｔｔである。ここで発熱体（
２２）を更に薄く細くすれば、消費電力は更に減少する
。

第８図〜第１１図に、接触酸化触媒による燃焼熟を用い
たガスセンサを示す。第８図に、４本の外部リード（５
４）を一体に結合したリードフレーム（５２）を示す。

また第９図に、白金等の測温抵抗体材料のフィルムを用
いたリードフレーム（６０）を示す。このリードフレー
ム（６０）には、接触酸化触媒を担持した検知片（６２
）と、触媒無担持で周囲温度の変動を補償するための補
償片（６４）とを設けろ。検知片（６２）と補償片（６
４）とを枝（６６）、（６８）で結合し、一体とする。

検知片（６２）は例えば、ヒータ兼用の白金フィルム（
７０）の全面にプラズマＣＶＤ等でアルミナ膜（７２）
を設け、膜（７２）の表面にＰｔやＰｄ等の触媒（７４
）を担持させたものである。一方補償片（６４）は、触
媒（７４）を担持させない点以外は、同様に構成する。

なお補償片（６４）では触媒（７４）に対応した厚さだ
け被覆（７２）を厚くし、検知片と熱容量をそろえるの
が好ましい。そして検知片（６２）での燃焼熱による温
度変化を、白金フィルム（７０）の抵抗変化から検出す
る。一方周囲温度の変動の影響を、補償片（６４）の抵
抗変化から補償する。

このセンサの製造工程は、金属発熱体本体（２２）に代
え、検知片（６２）と補償片（６４）とを設ける点以外
は、先の実施例と同様である。また検知片（６２）や補
償片（６４）の小形化、消費電力や熱容量、熱時定数の
軽減の効果ら、先の実施例と同様である。

接触酸化触媒を用いたセンサに特有の問題として、検知
片と補償片とを近接させ、気流の差による温度補償の誤
差を減少させることが有る。また検知片での燃焼熱が輻
射により補償片に伝わることを防止することが有る。こ
れらの課題は、第１０図の溝造で自動的に充たされる。

即ち通常の金属コイルを測温抵抗体に用いる場合に比べ
、検知片（６２）や補償片（６４）は小さく、近接して
配置し得る。また検知片と補償片とは平行に配置され、
輻射熱による干渉が少ない。

［発明の効果］この発明では、金属発熱体の外部リードへの結合が容易
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例での外部リードの配置を示すｉｔｚ・
面図である。第２図は、実施例での金属発熱体を結合したリードフレ
ームを示す平面図である。第３図（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ第２図のリードフレ
ームの製造工程を示す平面図である。第４図は、金属発熱体の要部拡大断面図である。第５図は、変形例での金属発熱体の要部拡大断面図であ
る。第６図は、実施例のガスセンサの平面図である。第７図は、第６図の要部拡大平面図である。第８図は、変形例での外部リードの配置を示す平面図で
ある。第９図は、変形例での金属発熱体を結合したリードフレ
ームを示す平面図である。第１０図は、変形例のガスセンサの平面図である。第１１図は、変形例のガスセンサの要部拡大断面図であ
る。図において、（２）　　外部リードを結合したリードフレーム、（４
）　　外部リード、（１０）ベース、（２０）金属発熱体リードフレーム、（２２）金属発熱体本体、（３２）耐熱絶縁性被覆、（３４）、（３６）　　電極、（３８）ガス感応材料。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属発熱体の表面に耐熱絶縁性被覆を施し、この
被覆によりガス感応材料を支持させると共に、金属発熱
体を複数の外部リードに結合したガスセンサの製造方法
において、金属発熱体をフレームに結合し、このフレームを外部リ
ードに対して位置合わせし、金属発熱体を外部リードに
結合した後、金属発熱体をフレームから分離し、金属発
熱体を外部リードに結合することを特徴とする、ガスセ
ンサの製造方法。
（２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記
金属発熱体とフレームとを、金属発熱体材料の薄板を所
定の形状に加工したリードフレームから構成したことを
特徴とする、ガスセンサの製造方法。
（３）特許請求の範囲第２項記載の方法において、前記
複数の外部リードを一連に結合してリードフレームとし
、このリードフレームに対し、金属発熱体のリードフレ
ームを位置合わせすることを特徴とする、ガスセンサの
製造方法。
（４）特許請求の範囲第２項記載の方法において、予め
耐熱絶縁性被覆を施すと共に、この被覆上にガス感応材
料を支持させた金属発熱体材料のリードフレームを、外
部リードに位置合わせし、金属発熱体を外部リードに結
合することを特徴とする、ガスセンサの製造方法。
（５）特許請求の範囲第４項記載の方法において、金属
発熱体材料の薄板に耐熱絶縁性被覆を施し、この被覆上
にガス感応材料を支持させた後、金属発熱体材料の薄板
を加工してリードフレームとすることを特徴とする、ガ
スセンサの製造方法。
（６）特許請求の範囲第５項記載の方法において、前記
薄板の加工はエッチングにより行うことを特徴とする、
ガスセンサの製造方法。